DE102015113311B4 - Method and device for determining the position of a piston in a cylinder filled with liquid - Google Patents

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    • G01F23/296—Acoustic waves
    • G01F23/2961—Acoustic waves for discrete levels

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Positionsbestimmung eines Kolbens in einem mit Flüssigkeit befüllten Zylinder mittels eines Ultraschallverfahrens.
Es sind Lösungen zur Positionsbestimmung bekannt, bei denen Ultraschallsignale ausgesendet und empfangen werden und aus den Laufzeiten der Ultraschallsignale die Positionsbestimmung des Kolbens ermittelt wird.
Im praktischen Betrieb haben sich diese Verfahren jedoch nicht bewährt, da sie zu ungenau sind.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Positionsbestimmung eines Kolbens in einem mit Flüssigkeit befüllten Zylinder mit einer verbesserten Genauigkeit zu schaffen.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.The present invention relates to a method and a device for determining the position of a piston in a cylinder filled with liquid by means of an ultrasonic method.
Solutions for determining the position are known, in which ultrasound signals are transmitted and received and the position of the piston is determined from the transit times of the ultrasound signals.
In practical operation, however, these methods have not been proven because they are too inaccurate.
It is therefore the object of the invention to provide a method and a device for determining the position of a piston in a liquid-filled cylinder with improved accuracy.
The object is achieved by a method and a device according to the independent claims.

Figure DE102015113311B4_0001
Figure DE102015113311B4_0001

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Positionsbestimmung eines Kolbens in einem mit Flüssigkeit befüllten Zylinder mittels eines Ultraschallverfahrens.The present invention relates to a method and a device for determining the position of a piston in a cylinder filled with liquid by means of an ultrasonic method.

Für die automatisierte Steuerung von Hydrauliksystemen ist die genaue Kenntnis der Position des Kolbens in den Hydraulikzylindern erforderlich.Automated control of hydraulic systems requires accurate knowledge of the position of the piston in the hydraulic cylinders.

Es sind Lösungen zur Positionsbestimmung bekannt, bei denen Ultraschallsignale ausgesendet und empfangen werden und aus den ermittelten Laufzeiten der Ultraschallsignale die Positionsbestimmung des Kolbens errechnet wird.Solutions for determining the position are known in which ultrasound signals are transmitted and received and the position determination of the piston is calculated from the determined transit times of the ultrasound signals.

Hierfür werden Wandler (Ultraschallsender und Ultraschallempfänger) an der Stirnfläche des Zylinders angeordnet, welche Ultraschallsignale senden. Die gesendeten Ultraschallsignale breiten sich parallel zur Zylinderachse in der Flüssigkeit aus, wonach sie senkrecht auf den Kolben auftreffen. An der Kolbenunterseite werden die Ultraschallsignale zur Stirnfläche zurückreflektiert und dort mit dem gleichen oder einem zweiten Wandler empfangen. Aus den gemessenen Laufzeiten wird dann die Position des Kolbens ermittelt.For this purpose, transducers (ultrasonic transmitter and ultrasonic receiver) are arranged on the end face of the cylinder, which send ultrasonic signals. The transmitted ultrasonic signals propagate parallel to the cylinder axis in the liquid, after which they impinge perpendicularly on the piston. At the bottom of the piston, the ultrasonic signals are reflected back to the face and received there with the same or a second transducer. The position of the piston is then determined from the measured transit times.

Im praktischen Betrieb haben sich diese Verfahren jedoch nicht bewährt, da die auszuwertenden Signale durch die schnelle Bewegung des Kolbens im Zylinderinneren und damit entstehenden Wirbelbildung in der Flüssigkeit oder durch Verschmutzungen und/oder Schaumbildung im Behälterinneren in ihrer Form und der Laufzeit so stark gestört werden können, dass die häufig geforderte Genauigkeit für die Positionsbestimmung des Kolbens im Zylinder nicht erreicht werden kann.In practical operation, these methods have not been proven, however, because the signals to be evaluated can be disturbed so much by the rapid movement of the piston in the cylinder interior and thus formed vortex formation in the liquid or by contamination and / or foaming inside the container in shape and duration in that the frequently required accuracy for determining the position of the piston in the cylinder can not be achieved.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Positionsbestimmung eines Kolbens in einem mit Flüssigkeit befüllten Zylinder mit einer verbesserten Genauigkeit zu schaffen.It is therefore the object of the invention to provide a method and a device for determining the position of a piston in a liquid-filled cylinder with improved accuracy.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den SchrittenThe problem is solved by a method with the steps

  • a. Erzeugen von Ultraschallpulsen in der Außenwand oder der Innenseite der Außenwand des Zylinders mit wenigstens einem Sender zum Erzeugen von Ultraschallpulsen,a. Generating ultrasonic pulses in the outer wall or the inner side of the outer wall of the cylinder with at least one transmitter for generating ultrasonic pulses,
  • b. Empfangen von Ultraschallsignalen mit wenigstens einem Empfänger zum Empfangen von Ultraschallsignalen,b. Receiving ultrasound signals with at least one receiver for receiving ultrasound signals,
  • c. Bestimmen der Position des Kolbens in dem mit Flüssigkeit befüllten Zylinder unter Berücksichtigung – der Ausbreitung der in Schritt a. erzeugten Ultraschallpulse entlang des Zylinders, – Auskopplung der Ultraschallpulse bei Flüssigkeitskontakt auf der Innenseite des Zylinders als Leaky-Wellen, – Reflexion der Leaky-Wellen an der Kolbenunterseite, – Einkopplung der reflektierten Leaky-Wellen als Ultraschallpulse in die Außenwand oder die Innenseite der Außenwand des Zylinders und – Empfangen der eingekoppelten Ultraschallsignale gemäß Schritt b., – Ermitteln der Laufzeiten der eingekoppelten Ultraschallsignale.c. Determine the position of the piston in the liquid-filled cylinder, taking into account - the propagation of the step a. generated ultrasonic pulses along the cylinder, - Coupling of the ultrasonic pulses at liquid contact on the inside of the cylinder as leaky waves, Reflection of the leaky waves at the underside of the piston, - Coupling of the reflected leaky waves as ultrasonic pulses in the outer wall or the inside of the outer wall of the cylinder and Receiving the coupled ultrasonic signals according to step b., - Determining the maturity of the coupled ultrasonic signals.

Die Flüssigkeit in dem Zylinder kann jegliche Art von Fluid, insbesondere Hydraulikflüssigkeiten wie Hydrauliköle auf Mineralölbasis oder auf Basis nachwachsender Rohstoffe, Wasser, Suspensionen oder Dergleichen sein.The liquid in the cylinder may be any type of fluid, in particular hydraulic fluids such as mineral oil-based hydraulic oils or renewable raw materials, water, suspensions or the like.

Der wenigstens eine Sender zum Erzeugen von Ultraschallpulsen kann hierbei an der Außenwand des Zylinders oder aber im Wandbereich des Zylinderbodens angeordnet sein.The at least one transmitter for generating ultrasound pulses can here be arranged on the outer wall of the cylinder or else in the wall region of the cylinder bottom.

Der Zylinder ist als Festkörper ausgebildet, welcher aus Metall, einer Metalllegierung oder Kunststoffen gefertigt ist.The cylinder is designed as a solid body, which is made of metal, a metal alloy or plastics.

Im Falle dass der Sender zum Erzeugen von Ultraschallpulsen an der Außenwand des Zylinders angeordnet ist, ist vorgesehen, dass der Sender im unteren oder oberen Randbereich des Zylindermantels angeordnet ist.In the case that the transmitter for generating ultrasonic pulses is arranged on the outer wall of the cylinder, it is provided that the transmitter is arranged in the lower or upper edge region of the cylinder jacket.

Ist der Sender zum Erzeugen von Ultraschallpulsen im Wandbereich des Zylinderbodens angeordnet, ist vorgesehen, dass der Sender derart Ultraschallpulse erzeugt, so dass sich diese entlang des Innenwandbereichs des Zylindermantels ausbreiten.If the transmitter for generating ultrasonic pulses is arranged in the wall region of the cylinder bottom, it is provided that the transmitter generates ultrasonic pulses in such a way that they propagate along the inner wall region of the cylinder jacket.

Der Sender zum Erzeugen von Ultraschallpulsen ist derart ausgelegt, dass er Plattenwellen (Lamb-Wellen) oder Oberflächenwellen (Rayleigh-Wellen) erzeugt. Die erzeugten Lamb-Wellen oder Rayleigh-Wellen breiten sich, da der Sender gerichtete Ultraschallpulse aussendet, entlang des Zylinders in Richtung des Kolbens aus.The transmitter for generating ultrasonic pulses is designed to generate plate waves (Lamb waves) or surface waves (Rayleigh waves). The generated Lamb waves or Rayleigh waves propagate along the cylinder in the direction of the piston as the transmitter emits directed ultrasonic pulses.

Wenn die Lamb-Wellen oder die Rayleigh-Wellen mit Flüssigkeit auf der Innenseite des Zylinders in Kontakt treten, werden sogenannte Leaky-Wellen (Leaky-Lamb-Wellen oder Leaky-Rayleigh-Wellen) in die Flüssigkeit ausgekoppelt. Diese Leaky-Wellen werden mit einem Winkel zwischen einem und 90° gegenüber der Zylinderwand in die Flüssigkeit eingekoppelt und breiten sich in dieser aus (in Richtung des Kolbens).When the Lamb waves or the Rayleigh waves contact liquid on the inside of the cylinder, so-called leaky waves (Leaky-Lamb waves or Leaky Rayleigh waves) are coupled out into the liquid. These leaky waves are coupled into the liquid at an angle of between one and 90 ° relative to the cylinder wall and spread out in this direction (in the direction of the piston).

Wenn die Leaky-Wellen auf die Kolbenunterseite treffen, werden diese spiegelnd reflektiert. When the leaky waves hit the underside of the piston, they are reflected in a mirror-like manner.

Die reflektierten Leaky-Wellen werden daraufhin als Ultraschallpulse in die Außenwand oder die Innenseite der Außenwand des Zylinders eingekoppelt.The reflected leaky waves are then coupled as ultrasonic pulses in the outer wall or the inside of the outer wall of the cylinder.

Diese eingekoppelten Ultraschallpulse können dann als Ultraschallsignale von einem Empfänger zum Empfangen von Ultraschallsignalen empfangen werden.These coupled ultrasonic pulses may then be received as ultrasonic signals from a receiver for receiving ultrasonic signals.

Da sowohl der Sender, als auch der Empfänger mit einer Ansteuer- und Auswertevorrichtung verbunden ist, können die Laufzeiten (Zeitdifferenz der Wellen zwischen dem Sender und dem Empfänger) ermittelt und ausgewertet werden. Die ermittelten Laufzeiten korrelieren mit der Position des Kolbens in dem mit Flüssigkeit befüllten Zylinder.Since both the transmitter and the receiver are connected to a control and evaluation device, the transit times (time difference of the waves between the transmitter and the receiver) can be determined and evaluated. The determined transit times correlate with the position of the piston in the liquid-filled cylinder.

Der Vorteil dieses Verfahrens gegenüber gängigen Verfahren ist, dass der größte Teil des Ausbreitungsweges im Festkörper und nicht in der Flüssigkeit stattfindet und wesentlich geringere Einflüsse durch Temperatur, Wirbelbildung und Blasenbildung in der Flüssigkeit die Genauigkeit des Messergebnisses beeinflussen.The advantage of this method over current methods is that the majority of the propagation pathway takes place in the solid state and not in the liquid, and significantly lower influences by temperature, vortex formation and bubble formation in the liquid affect the accuracy of the measurement result.

Weiterhin kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Signalstärken der eingekoppelten Ultraschallpulse in Abhängigkeit der Laufzeiten ermittelt werden.Furthermore, it can be advantageously provided that the signal strengths of the coupled-in ultrasonic pulses are determined as a function of the transit times.

Die Ermittlung der Signalstärken ist insbesondere für die Funktionskontrolle des Messverfahrens, insbesondere der Ultraschallwandler, vorteilhaft.The determination of the signal strengths is particularly advantageous for the functional control of the measuring method, in particular the ultrasonic transducer.

Die Aufgabe wird ebenfalls durch eine Vorrichtung zur Positionsbestimmung eines Kolbens in einem mit Flüssigkeit befüllten Zylinder, wobei die Vorrichtung wenigstens einen Sender zum Erzeugen von Ultraschallpulsen und wenigstens einen Empfänger zum Empfangen von Ultraschallsignalen umfasst, wobei der wenigstens eine Sender und der wenigstens eine Empfänger an der Außenwand des Zylinders oder im Wandbereich des Zylinderbodens angeordnet sind und die Vorrichtung Verbindungsmittel zum Verbinden der Vorrichtung mit einer Ansteuer- und Auswertevorrichtung umfasst, durch die der wenigstens eine Sender ansteuerbar und die vom wenigstens einen Empfänger empfangenen Signale auswertbar sind, gelöst.The object is also achieved by a device for determining the position of a piston in a cylinder filled with liquid, wherein the device comprises at least one transmitter for generating ultrasonic pulses and at least one receiver for receiving ultrasonic signals, wherein the at least one transmitter and the at least one receiver on the Outside wall of the cylinder or in the wall region of the cylinder bottom are arranged and the device comprises connecting means for connecting the device with a control and evaluation, by which the at least one transmitter can be controlled and the signals received from the at least one receiver can be evaluated solved.

Es ist zu der Erfindung gehörig, dass der Zylinder oder Behälter als Festkörper ausgebildet ist, welcher aus Metall, einer Metalllegierung oder Kunstoffen gefertigt ist.It is part of the invention that the cylinder or container is formed as a solid body, which is made of metal, a metal alloy or plastic.

Der wenigstens eine Sender zum Erzeugen von Ultraschallpulsen ist derart ansteuerbar, dass er sowohl Lamb-Wellen als auch Rayleigh-Wellen erzeugen kann. Der wenigstens eine Empfänger zum Empfangen von Ultraschallsignalen empfängt die akustischen Wellen und wandelt diese in elektrische Signale um.The at least one transmitter for generating ultrasonic pulses is controllable such that it can generate both Lamb waves and Rayleigh waves. The at least one receiver for receiving ultrasonic signals receives the acoustic waves and converts them into electrical signals.

Der wenigstens eine Sender und der wenigstens eine Empfänger können in einem Gehäuse angeordnet sein oder aber auch separiert vorliegen.The at least one transmitter and the at least one receiver can be arranged in a housing or else be present in a separated manner.

Die Vorrichtung mit dem Empfänger und dem Sender kann einteilig oder mehrteilig ausgebildet sein. Es ist hierbei vorgesehen, dass die Vorrichtung mit einer Ansteuer- und Auswertevorrichtung verbunden werden kann. Dies erfolgt über Verbindungsmittel zum Verbinden der Vorrichtung mit der Ansteuer- und Auswertevorrichtung. Durch diese Anordnung ist die Ansteuer- und Auswertevorrichtung über die Verbindungsmittel zum Verbinden der Vorrichtung mit der Ansteuer- und Auswertevorrichtung sowohl mit dem Sender zum Erzeugen von Ultraschallpulsen als auch mit dem Empfänger zum Empfangen von Ultraschallsignalen verbunden, wodurch der wenigstens eine Sender ansteuerbar und die vom wenigstens einen Empfänger empfangenen Signale auswertbar sind.The device with the receiver and the transmitter can be formed in one or more parts. It is provided here that the device can be connected to a control and evaluation device. This is done via connecting means for connecting the device to the control and evaluation device. By this arrangement, the drive and evaluation device is connected via the connecting means for connecting the device to the drive and evaluation both to the transmitter for generating ultrasonic pulses and to the receiver for receiving ultrasonic signals, whereby the at least one transmitter can be controlled and the from at least one receiver received signals are evaluated.

Bei einer ersten Ausführungsform der Vorrichtung ist vorgesehen, dass der wenigstens eine Sender und der wenigstens eine Empfänger der Vorrichtung an der Außenwand des Zylinders angeordnet sind und der wenigstens eine Sender Lamb-Wellen in der Außenwand des Zylinders erzeugt, wobei die Lamb-Wellen bei Flüssigkeitskontakt auf der Innenseite des Zylinders als Leaky-Wellen in die Flüssigkeit abstrahlen, wobei die Leaky-Wellen an der Kolbenunterseite reflektiert werden und die reflektierten Leaky-Wellen als Ultraschallpulse in die Außenwand des Zylinders eingekoppelt werden und der wenigstens eine Empfänger die eingekoppelten Ultraschallsignale empfängt.In a first embodiment of the device it is provided that the at least one transmitter and the at least one receiver of the device are arranged on the outer wall of the cylinder and the at least one transmitter generates Lamb waves in the outer wall of the cylinder, the Lamb waves in contact with liquid on the inside of the cylinder as Leaky waves radiate into the liquid, wherein the leaky waves are reflected at the piston bottom and the reflected leaky waves are coupled as ultrasonic pulses in the outer wall of the cylinder and the at least one receiver receives the coupled ultrasonic signals.

Eine weitere Ausführungsform sieht erfindungsgemäß vor, dass der wenigstens eine Sender und der wenigstens eine Empfänger der Vorrichtung im Wandbereich des Zylinderbodens angeordnet sind und der wenigstens eine Sender Rayleigh-Wellen entlang der Innenseite der Außenwand des Zylinders erzeugt, wobei die Rayleigh-Wellen bei Flüssigkeitskontakt auf der Innenseite des Zylinders als Leaky-Wellen in die Flüssigkeit abstrahlen, wobei die Leaky-Wellen an der Kolbenunterseite reflektiert werden und die reflektierten Leaky-Wellen als Ultraschallpulse in die Außenwand oder die Innenseite der Außenwand des Zylinders eingekoppelt werden und der wenigstens eine Empfänger die eingekoppelten Ultraschallsignale empfängt.A further embodiment according to the invention provides that the at least one transmitter and the at least one receiver of the device are arranged in the wall region of the cylinder bottom and the at least one transmitter generates Rayleigh waves along the inside of the outer wall of the cylinder, the Rayleigh waves being in contact with liquid the Leaky waves are reflected at the piston bottom and the reflected leaky waves are coupled as ultrasonic pulses in the outer wall or the inside of the outer wall of the cylinder and the at least one receiver which is coupled Receives ultrasonic signals.

Es ist zu der Erfindung gehörig, dass der wenigstens eine Sender zum Erzeugen von Ultraschallpulsen ein erster Wandler und der wenigstens Empfänger zum Empfangen von Ultraschallsignalen ein zum ersten Wandler beabstandeter zweiter Wandler ist. It is part of the invention that the at least one transmitter for generating ultrasonic pulses is a first converter and the at least receiver for receiving ultrasonic signals is a second converter spaced apart from the first converter.

Durch diese Anordnung wird erreicht, dass der Sender und der Empfänger nebeneinander oder beabstandet zueinander angeordnet werden können. Beispielsweise kann der Sender auf einer Seite der Außenwand des Zylinders angeordnet sein und der Empfänger auf der gegenüberliegenden Seite der Außenwand. Ebenso ist vorstellbar, dass der Sender auf der Zylinderunterseite angeordnet ist und der Empfänger auf der Mantelfläche des Zylinders.By this arrangement it is achieved that the transmitter and the receiver can be arranged side by side or at a distance from each other. For example, the transmitter may be disposed on one side of the outer wall of the cylinder and the receiver on the opposite side of the outer wall. It is also conceivable that the transmitter is arranged on the cylinder base and the receiver on the lateral surface of the cylinder.

Alternativ ist ebenfalls erfindungsgemäß vorgesehen, dass der wenigstens eine Sender zum Erzeugen von Ultraschallpulsen und der wenigstens eine Empfänger zum Empfangen von Ultraschallsignalen ein Wandler ist, der derart ansteuerbar ist, dass er sowohl senden als auch empfangen kann.Alternatively, it is likewise provided according to the invention that the at least one transmitter for generating ultrasound pulses and the at least one receiver for receiving ultrasound signals is a converter which can be controlled such that it can both transmit and receive.

Hierbei wird der Wandler im Multiplexbetrieb abwechselnd als Sender und Empfänger geschaltet.Here, the converter is switched in multiplex mode alternately as a transmitter and receiver.

Es ist zu der Erfindung gehörig, dass die Ansteuer- und Auswertevorrichtung über Verbindungsmittel zum Verbinden der Vorrichtung mit einer Ansteuer- und Auswertevorrichtung mit der Vorrichtung verbunden ist und die Ansteuer- und Auswertevorrichtung ebenfalls mit einem an oder in dem Zylinder positionierten Temperaturmessfühler verbunden ist.It is part of the invention that the control and evaluation device is connected via connecting means for connecting the device to a drive and evaluation device to the device and the drive and evaluation device is also connected to a temperature sensor located on or in the cylinder.

Dies ist vorteilhaft, da die Laufzeiten von Ultraschallwellen temperaturabhängig sind. Durch die Anordnung eines Temperaturmessfühlers können auf Temperaturschwankungen zurückzuführende Änderungen der Laufzeiten mit der Ansteuer- und Auswertevorrichtung entsprechend einem durch den Temperaturmessfühler genommenen Messwert ausgeglichen werden.This is advantageous since the transit times of ultrasonic waves are temperature-dependent. By arranging a temperature sensor, changes in the transit times due to temperature fluctuations can be compensated with the control and evaluation device in accordance with a measured value taken by the temperature sensor.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Ansteuer- und Auswertevorrichtung über Verbindungsmittel zum Verbinden der Vorrichtung mit einer Ansteuer- und Auswertevorrichtung mit der Vorrichtung verbunden ist und die Ansteuer- und Auswertevorrichtung und der wenigstens eine Sender zusammen zur Erzeugung von Ultraschallsignalen mit einer Frequenz von 50 kHz bis 2 MHz, vorzugsweise von 100 bis 400 kHz ausgebildet sind. Die genaue gewählte Frequenzwahl richtet sich nach Wandstärke und Werkstoff des Zylinders.An advantageous embodiment of the invention provides that the control and evaluation device is connected via connecting means for connecting the device to a control and evaluation with the device and the drive and evaluation and the at least one transmitter together to generate ultrasonic signals with a frequency from 50 kHz to 2 MHz, preferably from 100 to 400 kHz are formed. The exact frequency selection chosen depends on the wall thickness and material of the cylinder.

Es ist weiterhin zu der Erfindung gehörig, dass der Zylinder ein Hydraulikzylinder ist.It is further associated with the invention that the cylinder is a hydraulic cylinder.

In Hydraulikzylinder wird die Energie aus der Hydraulikflüssigkeit, die von einem hydraulischen Druckspeicher oder einer Hydraulikpumpe geliefert wird, in eine einfach steuerbare, geradlinig wirkende Kraft umgesetzt. Hydraulikzylinder werden bei Baggern, Baukränen, Robotern usw. eingesetzt, wobei die genaue Kenntnis der Position des Hydraulikzylinders für die automatisierte Steuerung eine wichtige Voraussetzung ist.In hydraulic cylinders, the energy from the hydraulic fluid, which is supplied by a hydraulic pressure accumulator or a hydraulic pump, converted into an easily controllable, rectilinear force. Hydraulic cylinders are used in excavators, construction cranes, robots, etc., where accurate knowledge of the position of the hydraulic cylinder for automated control is an important prerequisite.

Nachfolgend werden Merkmale und Vorteile der Erfindung anhand von Zeichnungen beispielhaft näher, aber nicht darauf beschränkt, beschrieben. Es zeigenHereinafter, features and advantages of the invention will be described in more detail by way of example but not by way of limitation. Show it

1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die auf der Außenwand eines Hydraulikzylinders angeordnet ist, in schematischer Schnittdarstellung, 1 a device according to the invention, which is arranged on the outer wall of a hydraulic cylinder, in a schematic sectional view,

2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die auf im Bereich der Außenwand an der Stirnfläche eines Hydraulikzylinders angeordnet ist, in schematischer Schnittdarstellung, 2 a device according to the invention, which is arranged on in the region of the outer wall on the end face of a hydraulic cylinder, in a schematic sectional view,

3 eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die auf der Außenwand eines Hydraulikzylinders angeordnet ist und wobei der Kolben in dem Hydraulikzylinder auf einer eingetauchten Position dargestellt ist, in schematischer Schnittdarstellung, 3 a device according to the invention, which is arranged on the outer wall of a hydraulic cylinder and wherein the piston is shown in the hydraulic cylinder in a submerged position, in a schematic sectional view,

4 eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die auf der Außenwand eines Hydraulikzylinders angeordnet ist und wobei der Kolben in dem Hydraulikzylinder auf einer herausgezogenen Position dargestellt ist, in schematischer Schnittdarstellung, 4 a device according to the invention, which is arranged on the outer wall of a hydraulic cylinder and wherein the piston is shown in the hydraulic cylinder in an extended position, in a schematic sectional view,

5 ein Diagramm, aus dem die direkte Abhängigkeit der Laufzeit der Ultraschallpulse [μs] in einem Hydraulikzylinder von der Position des Stempels (Unterseite des Kolbens) ersichtlich ist. 5 a diagram showing the direct dependence of the duration of the ultrasonic pulses [μs] in a hydraulic cylinder from the position of the punch (bottom of the piston).

In 1 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung 2 zur Positionsbestimmung eines Kolbens 1b in einem mit Flüssigkeit 1c befüllten Zylinder 1 schematisch in Schnittdarstellung dargestellt.In 1 is the device according to the invention 2 for determining the position of a piston 1b in one with liquid 1c filled cylinder 1 shown schematically in section.

Die Vorrichtung 2 umfasst wenigstens einen Sender 3 zum Erzeugen von Ultraschallpulsen und wenigstens einen Empfänger 4 zum Empfangen von Ultraschallsignalen. Wie dargestellt, sind der wenigstens eine Sender 3 und der wenigstens eine Empfänger 4 an der Außenwand 1a des Zylinders 1 angeordnet. Die Vorrichtung 1 ist hierbei zweiteilig ausgebildet und durch Verbindungsmittel (nicht dargestellt) mit einer Ansteuer- und Auswertevorrichtung (beispielsweise ein Computer, nicht dargestellt) derart verbunden, so dass der wenigstens eine Sender 3 ansteuerbar und die vom wenigstens einen Empfänger 4 empfangenen Signale auswertbar sind.The device 2 includes at least one transmitter 3 for generating ultrasonic pulses and at least one receiver 4 for receiving ultrasonic signals. As shown, the at least one transmitter 3 and the at least one receiver 4 on the outside wall 1a of the cylinder 1 arranged. The device 1 is here formed in two parts and connected by connecting means (not shown) with a control and evaluation device (for example, a computer, not shown), so that the at least one transmitter 3 controllable and the at least one receiver 4 received signals are evaluated.

Der Sender 3 erzeugt Lamb-Wellen 5 in der Außenwand 1a des Zylinders 1, wobei die Lamb-Wellen 5 bei Flüssigkeitskontakt auf der Innenseite des Zylinders 1 als Leaky-Wellen 6 in die Flüssigkeit abstrahlen. Wie dargestellt, werden die in die Flüssigkeit abstrahlenden Leaky-Wellen 6 an der Kolbenunterseite 7 spiegelnd reflektiert. Optimaler Reflexionspunkt ist hierbei die Mitte 7a der Unterseite des Kolbens 1b. Werden die Leaky-Wellen 6 in der Mitte 7a der Kolbenunterseite spiegelnd reflektiert, werden die Leaky-Wellen 6 gegenüber der Kolbenunterseite 7 reflektiert und können daraufhin direkt (ohne weitere Reflexion an einer der Innenseiten des Zylinders) als Ultraschallpulse in die Außenwand 1a des Zylinders 1 eingekoppelt werden. Die eingekoppelten Ultraschallpulse 5 breiten sich daraufhin in Richtung des unteren Bereichs des Zylinders 1 aus und werden von dem wenigstens einen Empfänger 4 empfangen. Natürlich können auch Ultraschallsignale 5 von dem Empfänger 4 empfangen werden, wenn die Leaky-Wellen mehr als einmal in dem Zylinder reflektiert wurden. Die zugehörigen Mehrfachsignale werden durch Mustererkennung ausgewertet.The transmitter 3 generates lamb waves 5 in the outer wall 1a of the cylinder 1 where the lamb waves 5 with fluid contact on the inside of the cylinder 1 as leaky waves 6 radiate into the liquid. As shown, the leaking waves into the liquid become 6 at the bottom of the piston 7 reflecting reflected. Optimal reflection point here is the middle 7a the bottom of the piston 1b , Be the leaky waves 6 in the middle 7a the flipper bottom reflects specularly, the leaky waves become 6 opposite the piston bottom 7 reflected and can then directly (without further reflection on one of the inner sides of the cylinder) as ultrasonic pulses in the outer wall 1a of the cylinder 1 be coupled. The coupled ultrasonic pulses 5 then move towards the bottom of the cylinder 1 and become from the at least one receiver 4 receive. Of course, even ultrasonic signals 5 from the receiver 4 are received when the leaky waves have been reflected more than once in the cylinder. The associated multiple signals are evaluated by pattern recognition.

In 2 ist eine weitere Anordnung der Vorrichtung 2 an einem Hydraulikzylinder 1 dargestellt. Hierbei ist der wenigstens eine Sender 3 und der wenigstens eine Empfänger 4 der Vorrichtung 2 im Wandbereich des Zylinderbodens angeordnet. Vorteilhafterweise ist der Sender 3 so positioniert, dass er Rayleigh-Wellen entlang der Innenseite der Außenwand 1a des Zylinders 1 erzeugt, wobei die Rayleigh-Wellen bei Flüssigkeitskontakt auf der Innenseite des Zylinders 1 als Leaky-Wellen 6 in die Flüssigkeit abstrahlen, wobei die Leaky-Wellen 6 an der Kolbenunterseite 7 reflektiert werden und die reflektierten Leaky-Wellen 6 als Ultraschallpulse in die Außenwand 1a des Zylinders 1 eingekoppelt werden und der wenigstens eine Empfänger 4 die eingekoppelten Ultraschallsignale empfängt. Der dargestellte Empfänger 4 kann hierbei Signale empfangen, die als Rayleigh-Wellen oder als Lamb-Wellen eingekoppelt wurden.In 2 is another arrangement of the device 2 on a hydraulic cylinder 1 shown. Here, the at least one transmitter 3 and the at least one receiver 4 the device 2 arranged in the wall region of the cylinder bottom. Advantageously, the transmitter 3 positioned so that he waves Rayleigh along the inside of the outer wall 1a of the cylinder 1 generated, the Rayleigh waves when in contact with liquid on the inside of the cylinder 1 as leaky waves 6 emit into the liquid, with the leaky waves 6 at the bottom of the piston 7 reflected and the reflected leaky waves 6 as ultrasonic pulses in the outer wall 1a of the cylinder 1 be coupled and the at least one receiver 4 receives the coupled ultrasound signals. The illustrated receiver 4 can receive signals which have been coupled in as Rayleigh waves or as Lamb waves.

In den 3 bis 5 ist dargestellt, wie sich die Laufzeiten (5 + 6 + 5) der vom Sender 3 erzeugten Ultraschallpulse 5 und vom Empfänger 4 empfangenen Ultraschallsignale der Vorrichtung 2 mit Positionsänderung im Zylinder 1 ändert.In the 3 to 5 is shown how the transit times ( 5 + 6 + 5 ) from the transmitter 3 generated ultrasonic pulses 5 and from the receiver 4 received ultrasonic signals of the device 2 with position change in the cylinder 1 changes.

In 3 ist der Kolben bzw. Stempel 1b in dem Zylinder 1 eingetaucht. Dementsprechend ist die gemessene Laufzeit der Ultraschallpulse kleiner als im Vergleich zu dem in 4 dargestellten Beispiel, bei dem der Kolben bzw. Stempel herausgezogen ist.In 3 is the piston or punch 1b in the cylinder 1 immersed. Accordingly, the measured transit time of the ultrasound pulses is smaller than in comparison to FIG 4 illustrated example in which the piston or punch is pulled out.

Die übrigen genannten Merkmale entsprechen von ihrer Bezeichnung den Merkmalen, die in 1 beschrieben wurden.The other characteristics mentioned correspond, from their designation, to the characteristics described in 1 have been described.

In 5 ist die Laufzeit [μs] über der Stempelposition [mm] für einen Testversuch dargestellt. Durch Auswertung (lineare Regression) der gemessenen Laufzeiten ergibt sich für den Testversuch für die Bestimmung der Stempelposition die folgende Formel: Laufzeit [μs] = 0,63432·Stempelposition [mm] + 70,653, wobei R2 = 0,9999 ist. R2 ist das Gütemaß der linearen Regression, welches wiedergibt, ob die unabhängigen Variablen gut geeignet sind, die abhängige Variable vorherzusagen. Da R2 fast 1 ist, besitzt das vorgeschlagene Verfahren sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung eine sehr gute Anpassungsgüte (”good model fit”). Damit ist eine sehr hohe Genauigkeit zur Positionsbestimmung eines Kolbens in einem mit Flüssigkeit befüllten Zylinder gegeben.In 5 the running time [μs] over the punch position [mm] is shown for a test attempt. By evaluating (linear regression) the measured transit times, the following formula results for the test test for determining the stamp position: Running time [μs] = 0.63432 · punch position [mm] + 70.653, where R 2 = 0.9999. R 2 is the linear regression measure of quality, which represents whether the independent variables are well-suited to predict the dependent variable. Since R 2 is almost 1, the proposed method and the device according to the invention have a very good good fit. This is a very high accuracy for determining the position of a piston in a liquid-filled cylinder.

Claims (11)

Verfahren zur Positionsbestimmung eines Kolbens (1b) in einem mit Flüssigkeit (1c) befüllten Zylinder (1) mit den Schritten a. Erzeugen von Ultraschallpulsen (5) in der Außenwand (1a; 10a) oder an der Innenseite der Außenwand (1a) des Zylinders (1) mit wenigstens einem Sender (3) zum Erzeugen von Ultraschallpulsen, b. Empfangen von Ultraschallsignalen (5) mit wenigstens einem Empfänger (4) zum Empfangen von Ultraschallsignalen, c. Bestimmen der Position des Kolbens (1b) in dem mit Flüssigkeit (1c) befüllten Zylinder (1) unter Berücksichtigung – der Ausbreitung der in Schritt a. erzeugten Ultraschallpulse (5) entlang des Zylinders (1), – Auskopplung der Ultraschallpulse (5) bei Flüssigkeitskontakt auf der Innenseite des Zylinders (1) als Leaky-Wellen (6), – Reflexion der Leaky-Wellen (6) an der Kolbenunterseite (7), – Einkopplung der reflektierten Leaky-Wellen (6) als Ultraschallpulse (5) in die Außenwand (1a) oder an der Innenseite der Außenwand (1a) des Zylinders (1) und – Empfangen der eingekoppelten Ultraschallsignale (5) gemäß Schritt b., – Ermitteln der Laufzeiten der eingekoppelten Ultraschallsignale.Method for determining the position of a piston ( 1b ) in one with liquid ( 1c ) filled cylinders ( 1 ) with the steps a. Generation of ultrasound pulses ( 5 ) in the outer wall ( 1a ; 10a ) or on the inside of the outer wall ( 1a ) of the cylinder ( 1 ) with at least one transmitter ( 3 ) for generating ultrasonic pulses, b. Receiving ultrasound signals ( 5 ) with at least one receiver ( 4 ) for receiving ultrasonic signals, c. Determining the position of the piston ( 1b ) in which with liquid ( 1c ) filled cylinders ( 1 ) taking into account - the propagation of the step a. generated ultrasonic pulses ( 5 ) along the cylinder ( 1 ), - decoupling of the ultrasonic pulses ( 5 ) with liquid contact on the inside of the cylinder ( 1 ) as leaky waves ( 6 ), - Reflection of the leaky waves ( 6 ) on the underside of the piston ( 7 ), - coupling of the reflected leaky waves ( 6 ) as ultrasonic pulses ( 5 ) in the outer wall ( 1a ) or on the inside of the outer wall ( 1a ) of the cylinder ( 1 ) and - receiving the coupled-in ultrasonic signals ( 5 ) according to step b., - determining the transit times of the coupled ultrasonic signals. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalstärken der eingekoppelten Ultraschallpulse in Abhängigkeit der Laufzeiten ermittelt werden.A method according to claim 1, characterized in that the signal strengths of the coupled-in ultrasonic pulses are determined as a function of the transit times. Vorrichtung (2) zur Positionsbestimmung eines Kolbens (1b) in einem mit Flüssigkeit (1c) befüllten Zylinder (1) zur Durchführung des Verfahrens zur Positionsbestimmung eines Kolbens (1b) in einem mit Flüssigkeit (1c) befüllten Zylinder (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei die Vorrichtung (2) wenigstens einen Sender (3) zum Erzeugen von Ultraschallpulsen und wenigstens einen Empfänger (4) zum Empfangen von Ultraschallsignalen umfasst, wobei der wenigstens eine Sender (3) und der wenigstens eine Empfänger (4) an der Außenwand (1a) des Zylinders (1) oder im Wandbereich des Zylinderbodens angeordnet sind und die Vorrichtung (1) Verbindungsmittel zum Verbinden der Vorrichtung (1) mit einer Ansteuer- und Auswertevorrichtung umfasst, durch die der wenigstens eine Sender (3) ansteuerbar und die vom wenigstens einen Empfänger (4) empfangenen Signale auswertbar sind.Contraption ( 2 ) for determining the position of a piston ( 1b ) in one with liquid ( 1c ) filled cylinders ( 1 ) for carrying out the method for determining the position of a piston ( 1b ) in one with liquid ( 1c ) filled cylinders ( 1 ) according to one of claims 1 to 2, wherein the device ( 2 ) at least one transmitter ( 3 ) for generating ultrasonic pulses and at least one receiver ( 4 ) for receiving ultrasonic signals, wherein the at least one transmitter ( 3 ) and the at least one receiver ( 4 ) on the outside wall ( 1a ) of the cylinder ( 1 ) or in the wall area of the cylinder bottom and the device ( 1 ) Connecting means for connecting the device ( 1 ) comprising a control and evaluation device, by which the at least one transmitter ( 3 ) and the at least one receiver ( 4 ) received signals are evaluated. Vorrichtung (2) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Sender (3) und der wenigstens eine Empfänger (4) der Vorrichtung (2) an der Außenwand des Zylinders (1) angeordnet sind und der wenigstens eine Sender (3) Lamb-Wellen in der Außenwand (1a) des Zylinders (1) erzeugt, wobei die Lamb-Wellen bei Flüssigkeitskontakt auf der Innenseite des Zylinders (1) als Leaky-Wellen (6) in die Flüssigkeit abstrahlen, wobei die Leaky-Wellen (6) an der Kolbenunterseite (7) reflektiert werden und die reflektierten Leaky-Wellen (6) als Ultraschallpulse in die Außenwand (1a) des Zylinders (1) eingekoppelt werden und der wenigstens eine Empfänger (4) die eingekoppelten Ultraschallsignale empfängt.Contraption ( 2 ) according to claim 3, characterized in that the at least one transmitter ( 3 ) and the at least one receiver ( 4 ) of the device ( 2 ) on the outer wall of the cylinder ( 1 ) are arranged and the at least one transmitter ( 3 ) Lamb waves in the outer wall ( 1a ) of the cylinder ( 1 ), wherein the Lamb waves in liquid contact on the inside of the cylinder ( 1 ) as leaky waves ( 6 ) into the liquid, whereby the leaky waves ( 6 ) on the underside of the piston ( 7 ) and the reflected leaky waves ( 6 ) as ultrasonic pulses in the outer wall ( 1a ) of the cylinder ( 1 ) and the at least one receiver ( 4 ) receives the injected ultrasound signals. Vorrichtung (2) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Sender (3) und der wenigstens eine Empfänger (4) der Vorrichtung (2) im Wandbereich des Zylinderbodens angeordnet sind und der wenigstens eine Sender (3) Rayleigh-Wellen entlang der Innenseite der Außenwand (1a) des Zylinders (1) erzeugt, wobei die Rayleigh-Wellen bei Flüssigkeitskontakt auf der Innenseite des Zylinders (1) als Leaky-Wellen (6) in die Flüssigkeit abstrahlen, wobei die Leaky-Wellen (6) an der Kolbenunterseite (7) reflektiert werden und die reflektierten Leaky-Wellen (6) als Ultraschallpulse in die Außenwand (1a) des Zylinders (1) eingekoppelt werden und der wenigstens eine Empfänger (4) die eingekoppelten Ultraschallsignale empfängt.Contraption ( 2 ) according to claim 3, characterized in that the at least one transmitter ( 3 ) and the at least one receiver ( 4 ) of the device ( 2 ) are arranged in the wall region of the cylinder bottom and the at least one transmitter ( 3 ) Rayleigh waves along the inside of the outer wall ( 1a ) of the cylinder ( 1 ), wherein the Rayleigh waves upon liquid contact on the inside of the cylinder ( 1 ) as leaky waves ( 6 ) into the liquid, whereby the leaky waves ( 6 ) on the underside of the piston ( 7 ) and the reflected leaky waves ( 6 ) as ultrasonic pulses in the outer wall ( 1a ) of the cylinder ( 1 ) and the at least one receiver ( 4 ) receives the injected ultrasound signals. Vorrichtung (2) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Sender (3) zum Erzeugen von Ultraschallpulsen ein erster Wandler und der wenigstens eine Empfänger (4) zum Empfangen von Ultraschallsignalen ein zum ersten Wandler beabstandeter zweiter Wandler ist.Contraption ( 2 ) according to claim 3, characterized in that the at least one transmitter ( 3 ) for generating ultrasonic pulses, a first transducer and the at least one receiver ( 4 ) is a second transducer spaced apart from the first transducer for receiving ultrasonic signals. Vorrichtung (2) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Sender (3) zum Erzeugen von Ultraschallpulsen und der wenigstens eine Empfänger (4) zum Empfangen von Ultraschallsignalen ein Wandler ist, der derart ansteuerbar ist, dass er sowohl senden als auch empfangen kann.Contraption ( 2 ) according to claim 3, characterized in that the at least one transmitter ( 3 ) for generating ultrasonic pulses and the at least one receiver ( 4 ) for receiving ultrasonic signals is a transducer that is controllable so that it can both transmit and receive. Vorrichtung (2) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuer- und Auswertevorrichtung über Verbindungsmittel zum Verbinden der Vorrichtung (2) mit einer Ansteuer- und Auswertevorrichtung mit der Vorrichtung (2) verbunden ist und die Ansteuer- und Auswertevorrichtung ebenfalls mit einem an oder in dem Zylinder (1) positionierten Temperaturmessfühler verbunden ist.Contraption ( 2 ) according to claim 3, characterized in that the drive and evaluation device via connecting means for connecting the device ( 2 ) with a control and evaluation device with the device ( 2 ) and the control and evaluation device also with a on or in the cylinder ( 1 ) positioned temperature sensor is connected. Vorrichtung (2) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuer- und Auswertevorrichtung über Verbindungsmittel zum Verbinden der Vorrichtung (2) mit einer Ansteuer- und Auswertevorrichtung mit der Vorrichtung (2) verbunden ist und die Ansteuer- und Auswertevorrichtung und der wenigstens eine Sender (3) zusammen zur Erzeugung von Ultraschallsignalen mit einer Frequenz von 50 kHz bis 2 MHz, vorzugsweise von 100 bis 400 kHz ausgebildet sind.Contraption ( 2 ) according to claim 3, characterized in that the drive and evaluation device via connecting means for connecting the device ( 2 ) with a control and evaluation device with the device ( 2 ) and the control and evaluation device and the at least one transmitter ( 3 ) are formed together to generate ultrasonic signals having a frequency of 50 kHz to 2 MHz, preferably 100 to 400 kHz. Vorrichtung (2) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder (1) ein Hydraulikzylinder ist.Contraption ( 2 ) according to claim 3, characterized in that the cylinder ( 1 ) is a hydraulic cylinder. Verwendung der Vorrichtung (2) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 10 zur Positionsbestimmung eines Kolbens (1b) in einem mit Flüssigkeit (1c) befüllten Zylinder (1).Use of the device ( 2 ) according to one of claims 3 to 10 for determining the position of a piston ( 1b ) in one with liquid ( 1c ) filled cylinders ( 1 ).
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